下击暴流下高压输电塔线体系的风致响应分析

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随着我国经济的日益发展及新基建的建设,电网规模持续扩大,特高压输电线路的建设和运行,已使我国电网成为世界上结构最复杂、规模最大的电网。输电塔线系统已成为关乎国家经济发展、人民生活质量的重要生命线之一。一直以来,塔线体系经常在恶劣天气下发生破坏,国内外数据显示90%左右的输电塔线体系倒塌事故均是由强风造成,其中下击暴流这一雷暴天气下经常伴随的近地面强风造成输电塔倒塌的情况最多,我国因这种雷暴强风引起的输电塔线破坏时有发生。然而目前我国输电塔线设计规范并未考虑下击暴流这种雷暴强风,因此深入探究下击暴流对架空输电塔线体系的影响是十分必要的。基于以上背景,本文基于风场和风荷载时程的模拟,对于输电塔线体系在移动型下击暴流下的动力响应进行了研究,并和规范方法的拟静力分析对比,为塔线体系抗下击暴流风提供了参考。本文的主要研究工作和结论如下:(1)基于冲击射流模型建立缩尺模型,利用Fluent软件模拟下击暴流的风场,并通过网格尺寸、缩尺比和入口速度的敏感性分析,说明了使用CFD方法模拟下击暴流风场的可行性,基于模拟的风场选定Vicroy经验模型作为下击暴流平均水平风速的竖直风剖面。(2)根据设计图纸,建立了双回路直线角钢塔的三塔两线模型,并对塔、线以及塔线体系分别进行了模态分析,验证了建模的有效性,同时得到了结构的自振频率、模态振型等动力特性,塔线体系间耦联作用会引起的输电塔动力特性的变化。(3)选定了四种下击暴流风剖面和常规设计风速,按照规范方法进行了四种风向角下的拟静力风致响应分析,得到不利风向角为45°,下击暴流下输电塔薄弱位置在第一横隔以上的主材。(4)确定了风速采样点,基于常规边界层风的特点,选定Davenport谱对各点的风速时程进行了模拟;考虑下击暴流风的移动效应和强度演化引起的平均风时变特性,并选择归一化的Kaimal谱结合幅值调制函数通过谐波叠加法模拟得到了各采样点下击暴流的风速时程。(5)对常规设计风速和下击暴流风沿不同角度作用在塔线体系时的动力响应进行了分析,发现塔线之间存在耦联作用,最不利风向角为90°,下击暴流风下塔线之间的耦联作用随雷暴中心移动路径与线路走向夹角的增大而增大。并与拟静力得到的结果进行对比,说明了直接按照规范方法考虑下击暴流进行输电线路设计的不足,并为此提供了一些建议。
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